Projekt współfinansowany przez
Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Materiały dydaktyczne opracowano do realizacji projektu
 Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu 
Umowa UDA-POKL.04.01.01-00-175/08-00
Podstawy elektroniki
wykład
kierunek elektrotechnika
rok I, semestr II
kierunek informatyka
rok I, semestr I
wymiar godzin: 30
wykładowca: dr inż. Dorota Wiraszka
[e-mail]
Program wykładu (1)
1. Informacje wstępne - zakres materiału, tryb
zaliczenia, literatura.
2. Budowa atomu, wiązania kowalencyjne.
Struktura elektronowa krzemu i germanu.
Energetyczny model pasmowy
półprzewodnika.
3. Założenia elektronowo-dziurowej teorii
przewodnictwa elektrycznego
półprzewodników.
Program wykładu (2)
4. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
5. Złącze p-n: mechanizm tworzenia bariery
potencjału, polaryzacja w kierunku
przewodzenia i zaporowym. Charakterystyka
prądowo-napięciowa złącza p-n.
6. Diody warstwowe. Podstawowe parametry
diod prostowniczych i uniwersalnych.
Podstawowe zastosowania - prostowniki.
7. Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne.
Program wykładu (3)
8. Diody elektroluminescencyjne i fotodiody.
Diody metal-półprzewodnik (Schottky ego).
Diody pojemnościowe. Zastosowania.
9. Tranzystor bipolarny: budowa, zasada
działania, podstawowe zależności.
10. Charakterystyki tranzystora bipolarnego.
Polaryzacja tranzystorów n-p-n i p-n-p.
11. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora
bipolarnego.
Program wykładu (4)
12. Wzmacniacz na tranzystorze bipolarnym.
Analiza małosygnałowa i stałoprądowa.
13. Tranzystor polowy złączowy: budowa,
zasada działania, podstawowe zależności.
15. Charakterystyki tranzystora polowego
złączowego. Warunki polaryzacji.
16. Wzmacniacz na tranzystorze polowym.
Analiza małosygnałowa i stałoprądowa.
Program wykładu (5)
17. Tranzystor polowy MOS normalnie
wyłączony.
18. Tranzystor polowy MOS normalnie
załączony.
19. Wzmacniacz operacyjny: schemat blokowy,
właściwości i parametry. Podstawowe
zastosowania.
Literatura (1)
1. W. Marciniak - Przyrządy
półprzewodnikowe i układy scalone.
WNT, Warszawa 1994.
2. T. L. Floyd - Electronic Devices. Macmillan
Publishing Company, New York 1998.
3. A. Filipkowski  Podstawy elektroniki
półprzewodnikowej.
WNT, Warszawa 2003.
Literatura (2)
4. K. Waczyński  Przyrządy
półprzewodnikowe  podstawy działania
diod i tranzystorów. Wyd. Politechniki
Śląskiej, Gliwice 1997.
5. U. Tietze, Ch. Schenk - Układy
półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 2005.
6. P. Horotwitz, W. Hill  Sztuka elektroniki.
WKiA
, Warszawa 2003.
Budowa atomu
Atom - jest to najmniejsza
cząstka pierwiastka
chemicznego, posiadająca
jeszcze własności
chemiczne tego pierwiastka.
Niels Bohr
(1885-1962)
Postulaty Bohra
1. Elektrony mogą krążyć wokół jądra
jedynie po ściśle określonych orbitach
stacjonarnych.
2. Przejście elektronu z niższego poziomu
energetycznego na poziom wyższy jest
możliwe tylko wtedy, gdy atom pobierze
porcję energii. Natomiast przejście ze
stanu o energii wyższej do stanu
o energii niższej wiąże się z oddaniem
energii.
Model atomu wodoru i helu
-
-
+
+
+
-
wodór hel
Liczba i masa atomowa
Masa atomowa  odpowiada liczbie
wszystkich cząstek znajdujących się
w jądrze atomu
Liczba atomowa  odpowiada liczbie
elektronów w atomie elektrycznie
obojętnym
Układ okresowy pierwiastków
Powłoki i orbity elektronowe
Nr powłoki n 1 2 3 4 5 6 7
Ozn. literowe K L M N O P Q
Maksymalna liczba elektronów
na powłoce n:
n2 �� 2
K (n = 1): 2 el.
L (n = 2): 8 el.
M (n = 3): 18 el.
...
Poziomy energetyczne
pojedynczego atomu
Poziom
energetyczny
W
6
W
5
W
4
Elektrony
W
3
r
3
r
4
W
2
W
1
r
6
r
1
r
2
r
5
K L
W  energia
Jądro
r  promień orbity
I powłoka
II powłoka
Elektrony walencyjne
Zapełnianie powłok przez
elektrony następuje od
powłok położonych
najbliżej jądra, tj. powłoki 1,
następnie 2, itd.
Na ostatniej, zewnętrznej
powłoce znajdują się
elektrony słabo związane
z jądrem atomu. Elektrony
te nazywamy elektronami
walencyjnymi. (Mg).
Jonizacja
Kiedy atom absorbuje energię ze z
ródła ciepła
lub światła, poziomy energetyczne elektronów
podnoszą się. Elektron pobiera energię
i przechodzi na orbitę położoną dalej od jądra.
Jeśli elektron walencyjny zaabsorbuje
dostateczną ilość energii, może zostać całkowicie
oderwany z powłoki zewnętrznej i znalez
ć się
poza wpływem atomu. Oderwanie elektronu
walencyjnego pozostawia atom, który był
poprzednio neutralny, z nadmiarem ładunku
dodatniego.
Proces utraty elektronu walencyjnego - jonizacja
Struktura elektronowa atomu
krzemu i germanu
Wartościowość IV Wartościowość IV
K: 2 K: 2
L: 8 L: 8
M: 4 powłoka M: 18
walencyjna
N: 4 powłoka
walencyjna
Struktura elektronowa atomu
krzemu i germanu
+14
+ 32
Struktura elektronowa atomu
krzemu i germanu
y
ródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/
Wiązania kowalencyjne
w krysztale krzemu
Każdy atom związany
Si
jest z czterema
sąsiednimi atomami,
tworząc sieć
Si
Si
Si
przestrzenną typu
czworościanu
foremnego
Si
Diagram wiązań
kowalencyjnych
Do wyrwania elektronu
z wiązania kowalencyjnego
potrzebne jest dostarczenie
odpowiedniej energii
w dowolnej postaci.
E = 1,1 eV dla Si
Oderwany elektron staje się
elektronem swobodnym.
Luka powstała w wiązaniu
kowalencyjnym to hipotetyczny
ładunek dodatni, zwany dziurą.
Energetyczny model pasmowy
ciała stałego
" Poszczególnym orbitom elektronów w atomie
przyporządkowane są odpowiednie poziomy (stany)
energetyczne. Energia elektronu jest tym większa, im większy
jest promień jego orbity. W stanie normalnym wszystkie
elektrony zajmują najniższe z możliwych poziomy
energetyczne.
" Zakaz Pauliego (1925) - w atomie, a tym bardziej w krysztale
zawierającym wiele atomów, nie mogą występować dwa
elektrony o identycznych stanach energetycznych.
" Każdy poziom energetyczny rozszczepia się na tyle
podpoziomów, ile atomów występuje w rozważanej strukturze.
Rozszczepienie poziomów
energetycznych
Pasmo przewodnictwa (elektrony swobodne)
walencyjne
Pasmo
Jądra
atomów
Energetyczny model pasmowy
ciała stałego - stan normalny
W
Pasmo
(Conduction band)
przewodnictwa
Wc
Pasmo zabronione
Wg
(Energy gap)
Wv
Pasmo
(Valence band)
walencyjne
Energetyczny model pasmowy
ciała stałego
" Pasmo przewodnictwa  odpowiada wartościom
energii, przy których elektrony stają się swobodnymi
i mogą brać udział w procesie przewodzenia prądu
elektrycznego.
" Pasmo zabronione  obszar między pasmem
walencyjnym a pasmem przewodnictwa o odstępie
Wg (WgGe =0,68 eV, WgSi =1,08eV), którego
elektrony nie mogą obsadzać.
" Pasmo walencyjne - odpowiada wartościom energii
elektronów walencyjnych.
Energetyczny model pasmowy
ciała stałego - stan wzbudzenia
Generacja par elektron - dziura
W
Pod wpływem dostarczonej
energii, równej co najmniej
elektron
Wc
szerokości pasma zabronionego
Wg, część elektronów z pasma
Wg
walencyjnego przeskakuje do
pasma przewodnictwa,
pozostawiając w paśmie
Wv
dziura
walencyjnym wolne miejsca -
dziury.
Proces odwrotny - rekombinacja
Energetyczne modele
pasmowe
izolator
W
W
W
półprzewodnik
Pasmo
przewodnictwa
przewodnik
Pasmo
Pasmo
przewodnictwa
zabronione
Pasmo
Pasmo
( Wg > 2 eV )
zabronione
przewodnictwa
( Wg <= 2 eV )
Pasmo Pasmo Pasmo
walencyjne walencyjne walencyjne
Półprzewodniki samoistne
i domieszkowane
" Półprzewodnik samoistny (intrinsic semiconductor)
 idealnie czysty, nie zawierający żadnych
domieszek ani defektów sieci krystalicznej. Nośniki
swobodne powstają tylko w wyniku generacji par
elektron - dziura.
" Półprzewodnik domieszkowany (extrinsic
semiconductor )  półprzewodnik zawierający celowo
wprowadzone atomy innego pierwiastka , tzw.
domieszki.
Wyróżnia się 2 rodzaje domieszek:
- donorowe
- akceptorowe
Domieszki donorowe
Pierwiastki V grupy układu okresowego,
mające po 5 elektronów walencyjnych
y
ródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/
Półprzewodnik typu n - model
wiązań kowalencyjnych
Jeden z elektronów
Si
Si Si
walencyjnych atomu
fosforu nie bierze udziału
w tworzeniu wiązania
kowalencyjnego, dzięki
Si P Si
czemu może łatwo zostać
oderwany od
macierzystego atomu.
Si Si Si
Energia jonizacji
Wj = 0,044 eV
Półprzewodnik typu n -
energetyczny model pasmowy
W
Pasmo przewodnictwa
Wc
poziom donorowy
Wd
Wj
Wg
Wj << Wg
Wv
Pasmo walencyjne
Domieszki akceptorowe
Pierwiastki III grupy układu okresowego,
mające po 3 elektrony walencyjne
y
ródło grafiki: http://commons.wikimedia.org/wiki/
Półprzewodnik typu p - model
wiązań kowalencyjnych
Do utworzenia stabilnych
Si
Si Si
wiązań kowalencyjnych
atomowi boru brakuje
jednego elektronu. Może
być on łatwo uzupełniony
Si B Si
po oderwaniu
z sąsiadującego wiązania
Si-Si, pozostawiając
w nim dziurę.
Si
Si Si
Energia jonizacji
Wj = 0,045 eV
Półprzewodnik typu p -
energetyczny model pasmowy
W
Pasmo przewodnictwa
Wc
Wj << Wg
Wg
Wj
Wa
++++++++++++++++++ poziom akceptorowy
Wv
Pasmo walencyjne
Koncentracja elektronów
i dziur w stanie równowagi
termodynamicznej
Ą�
Ą�
n =� N(W ) �� fn (W )dW
p =�
��
��N(W )�� fp(W )dW
Wc
Wv
n - koncentracja elektronów p - koncentracja dziur
N(W) - rozkład koncentracji poziomów energetycznych
w funkcji energii
fn(W), fp(W) - funkcja rozkładu prawdopodobieństwa zajęcia
poziomu o energii W odpowiednio przez elektron (n)
lub dziurę (p)
Efektywna koncentracja
stanów energetycznych
p =� Nv �� f (Wv )
n =� Nc �� fn (Wc )
p
Nc , Nv - efektywne koncentracje stanów energetycznych
3
2
Nc , Nv �� T
Efektywna koncentracja
stanów energetycznych
Efektywna
gęstość stanów
Si Ge GaAs
energetycznych
Nc [m-3] 2.8*1025 1.04*1025 4.7*1023
Nv [m-3] 1.04*1025 6.0*1024 7.0*1024
Rozkład Boltzmanna
W
��
f (W ) =� expć�-�
�� ��
kT
Ł� ł�
k = 1.38 * 10-23 J/K = 8.62 * 10-5 eV/K
k - stała Boltzmanna
Statystyka Fermiego - Diraca
1
f (W ) =�
n
W -� WF
1 +� exp
kT
f (W ) =� 1 -� f (W )
p n
WF - energia (poziom) Fermiego; jest to wartość
energii, dla której prawdopodobieństwo
obsadzenia stanów wynosi 0,5 dla każdej
temperatury T > 0 K.
Statystyka Fermiego - Diraca
- wykresy
W
W
W
elektrony
Wc
WF
WF
WF
Wv
dziury
półprz. samoistny półprz. typu p
półprz. typu n